Page 37 - 无损检测2024年第四期

胡正伟, 等:
基于微纳 CT 的 SLM 成形铝合金缺陷与损伤表征

量比夹杂数量多, 气孔沿着打印方向呈均匀分布状
态, 夹杂呈随机分布状态。由图4 ( c ) 可看出夹杂呈
不规则的颗粒状, 由图4 ( d ) 可看出气孔呈规则的球
状或椭球状。
2.2 缺陷几何特征统计
识别气孔和高密夹杂后, 分别对其尺度、 位置、
形状几何特征进行量化和统计。气孔和高密夹杂的
图2 拉伸试样 CT 透照布置示意 几何特征统计结果如图 5 , 6 所示。图 5 ( a ) 和图

Mean滤波方法 [ 7 ] 对裁剪后的数据进行滤波降噪, 6 ( a ) 分别为气孔和高密夹杂的等效直径频率直方
该方法在有效去除噪声的同时, 能够保留缺陷的外 图, 可看出气孔和夹杂的等 效 直 径 分 布 为 14~

100 μ m 和15~145 μ m , 平均直径分别为35 μ m 和
形轮廓和对比度。在图像分割的过程中, 使用to p -
hat分割算法对滤波后的体积数据进行缺陷识别, 30 μ m , 气孔和夹杂的尺寸跨度较小, 数量较少, 整

该方法能够有效识别图像中的暗区或者亮区( 暗区 体气孔率为0.02% , 夹杂率为0.001% 。图5 ( b ) 和
对应孔隙和裂纹类缺陷, 亮区对应高密夹杂缺陷), 图6 ( b ) 为气孔和高密夹杂的球度频率直方图, 可见
随后实施腐蚀运算去除错误识别的噪声, 最后对缺 气孔和夹杂的球度分布分别为0.56~0.81和0.4~
陷进行连通区域提取, 分割互不相连的缺陷。在缺 0.81 , 平均球度为 0.71 和 0.70 , 气孔球度分布呈现
陷几何量化与建模过程中, 首先对识别后的单个缺 近似正态分布的特征。与图5 ( c ) 和图6 ( c ) 分别为
陷的几何特征进行量化, 其中缺陷的尺度特征用与 气孔和高密夹杂表面距离材料表面最短距离频率直
缺陷体积相等的等效球直径表征, 缺陷的形状特征 方图, 拉伸试样的直径为5mm , 气孔和夹杂表面与

用与缺陷体积相等的等效球的表面积和缺陷表面积 材料表面的最短距离分布为 0.02~2.4 mm 和

[ 9 ]
的比值表征( 定义为球度) , 缺陷的位置特征用缺 0.05~2.4mm , 平均最短距离分别为 0.89 mm 和

陷表面与材料表面的最短距离表征; 然后对所有缺 0.70mm , 随着与材料表面距离的增加, 其数量呈现

陷的几何特征进行统计分析, 得到缺陷特征的分布 减少的趋势, 其中气孔位置呈现全域分布的特点。
情况; 最后建立典型缺陷结构的几何模型, 将该模型
图5 ( d ) 和图6 ( d ) 分别为气孔和高密夹杂的等效直
应用于考虑真实缺陷结构的有限元软件进行力学行
径与球度的关系图, 可看出气孔和夹杂的球度随着
为分析。
等效直径的增大呈现减小的趋势, 小气孔呈近球型,
大气孔呈椭球状, 大尺度高密夹杂呈不规则的颗
粒状。
2.3 气孔表面几何建模
设计人员一般在对缺陷的危害程度进行定级
时, 通常会使用有限元软件研究材料缺陷对其力学
图3 CT 体积数据的图像分析流程 性能的影响, 建立和缺陷相关的力学性能预测模型,
但由于缺陷的真实几何形状模型不好获取, 其建立
2 试验结果与分析 的缺陷模型通常是标准几何形状, 例如模拟气孔缺

2.1 缺陷三维可视化 陷对材料性能的影响时, 建立的模型是球或椭球, 但

拉伸试样标距段经过 CT 三维成像后, 对其进 真实气孔的表面形状与标准球或者椭球通常会有较
行图像分析, 发现内部存在气孔和高密夹杂两类缺 大差异, 该差异会对力学性能预测产生影响。因此,
笔者通过高分辨率 CT 检测技术与图像和图形处理
陷。拉伸试样内部缺陷的分布及其三维形貌如图4
所示。由图4 ( a ) 可以看出气孔的亮度比基体亮度 技术对真实气孔缺陷的表面形状进行几何建模, 获
低, 高密夹杂的亮度比基体材料亮度高。标距段区 取气孔表面形状的三角形网格, 即气孔的几何模型,
域内部缺陷的三维分布如图4 ( b ) 所示, 其中气孔被 作为有限元软件中气孔的真实几何模型。
渲染为红色, 高密夹杂被渲染为黄色, 可看出气孔数 SLM 成型 AlSi10M g 合金中气孔缺陷的几何

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2024年 第46卷 第4期
无损检测